Lamellenwerkzeuge mit konturfolgender Kuehlung für Spritzguss- und Schaeumwerkzeuge

Wie bei anderen Fertigungsverfahren ist der erste Prozessschritt die Aufbereitung der Werkzeugdaten für den speziellen Anwendungsfall (Abb.1). Dafür wurden neue Softwaremodule erstellt, die den Aufwand für die Fertigungsvorbereitung erheblich verkürzen. Nach dem Import der 3D CAD-Daten der Werkzeugkonstruktion in das MELATO^®-CAD/CAM-System müssen Modifizierungen vorgenommen werden, die dem Einsatzgebiet des Werkzeuges und dem geplanten Fügprozess Rechnung tragen. So wird in Abhängigkeit von der Kontur, vom Einsatzfall und von den geforderten Eigenschaften des Werkzeuges als erstes die spätere Slice-Richtung festgelegt. Sofern möglich sollte dabei die Entstehung von Inseln vermieden werden. Lässt es sich nicht vermeiden, sind Fixierungen für die einzelnen Segmente vorzusehen, um im Bauprozess die notwendige Positioniergenauigkeit zu realisieren. Auch die geplante Verbindungstechnologie erfordert unter Umständen spezielle Führungen oder Aufnahmen, die bereits im CAD-Datenfile berücksichtigt werden müssen und können.

Analog zahlreicher Rapid Prototyping Technologien wird das 3D-CAD-Modell anschließend in Schichten (Querschnitte) zerlegt. Die im Rahmen des Projektes entwickelte Software DCAMnc erlaubt es, eine maximale Abweichung der Ist-Kontur von der Soll-Kontur vorzugeben und daraus die maximal mögliche Schichtstärke zu ermitteln. Je feiner die Schichtstärke umso geringer die Abweichung und umso länger die Fertigungszeit. Die ausgewählte Schichtstärke entspricht der Summe aus tatsächlicher Blechstärke und eventueller Zwischenschichten zum Verbinden. Auf Grund des Aneinanderreihens von vielen Schichten kann sich ein großer Gesamtfehler ergeben, wenn die Blech- oder Zwischenschichtdicken nicht exakt bestimmt wurden. Die beim Zerlegen des 3D-CAD-Modells zu wählende Schichtstärke muss deshalb anhand von Experimenten ermittelt werden.

Abb.1: Teilprozesse der MELATO^®-Prozesskette

Die Querschnitte werden auf einer virtuellen Blechtafel angeordnet, durch einen Postprozessor in ein maschinenlesbares Format umgewandelt und an die Schneidanlage ausgegeben. Die Größe der Blechtafel und der Abstand der Einzelquerschnitte zueinander sind in der CAM-Software frei wählbar. Ein auf dem Gebiet der Blechpaketwerkzeuge erfahrener Konstrukteur benötigt für die gesamte Fertigungsvorbereitung bis zur Ausgabe des Schneidprogramms nicht länger als 1 Stunde.

Mittels Laser- oder auch Wasserstrahl werden die Querschnitte ausgeschnitten. Beide Verfahren sind in breitem Umfang industriell eingeführt. Zahlreiche zumeist kleine Unternehmen bieten Laser- oder Wasserstrahlschneiden als Dienstleistung an. Die großen Vorteile des Lasers sind die sehr hohen Schneidgeschwindigkeiten bis 10 m/min und die extrem engen Schnittfugen im Bereich 0,1 mm. Verfahrenstypische Eigenschaften wie geringe thermische Beeinflussung des Werkstoffes, Berührungsfreiheit des Trennvorganges und Nachbearbeitungsfreiheit der lasergeschnittenen Werkstücke haben dem Verfahren bereits weite Einsatzgebiete eröffnet. Die hohe Flexibilität von CNC-gesteuerten Schneidanlagen ist in der Einzel- und Kleinserienfertigung besonders unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten ausschlaggebend.

Die 2D-Schnittkonturen werden durch verschiedene Verbindungstechnologien zu Werkzeugen zusammengefügt. Die ausgewählte Verbindungstechnologie beeinflusst die Eigenschaften und Kosten des lamellierten Werkzeuges entscheidend. Gelingt es, die Anforderungen an Standfestigkeit und Genauigkeit des Werkzeuges allein durch Verspannen der Blechpakete zu realisieren, können maximale Einsparungen an Fertigungszeit und Kosten erzielt werden. Zudem ist eine hohe Flexibilität des Werkzeuges gewährleistet, weil einzelne Bleche relativ unkompliziert ausgetauscht werden können. Bewährt hat sich die Konzeption eines Werkzeugrahmens, der auch die erforderlichen Führungselemente z.B. für die Einspannung in der Presse enthält (Abb.2).

Abb.2: MELATO^®-Werkzeug zum Prägen von Verbundmaterial für wärmedämmende Bauteile im Kraftfahrzeug (mitte), links: Stempel unbearbeitet, rechts: Matrize poliert

Bestehen höhere Anforderungen an das Werkzeug, müssen partiell oder flächig weitere Verbindungsstellen geschaffen werden. Der Anspruch, eine durchgängige Automatisierung der Prozesskette zu realisieren, spricht für den Einsatz des Laserstrahlschweißens als Verbindungstechnologie. Neben dem lagenweisen Punktschweißen bietet sich das kontinuierliche Verschweißen entlang der 3D-Konturen an.

Höchste Verbundfestigkeit des Blechpaketes wird durch das Löten der Querschnitte erzielt. Insbesondere das Hart- und Hochtemperaturlöten versprechen eine gute Verschleiß- und Standfestigkeit der Werkzeuge im Einsatz, auch bei erhöhten Temperaturen. Umformversuche zur Charakterisierung der Verbundfestigkeit unterschiedlicher Fügverfahren zeigen, dass das gelötete Werkzeug höchsten Anforderungen an die Standzeit gerecht wird.

Die anwendungs- und stückzahlangepasste Endbearbeitung durch Verfahren wie Fräsen, Polieren, Erodieren, Auftragschweißen sowie Wärme- oder Oberflächenbehandeln schließt die Prozesskette ab. Wenn eine hohe Werkzeuggenauigkeit und Oberflächengüte des zu erzeugenden Bauteiles gefordert ist, wird die für das MELATO^®-Verfahren typische Stufung durch eine Schlichtbearbeitung beseitigt. Die Fräsbahnen müssen so programmiert werden, dass die auftretenden Schnittkräfte nicht zum Aufbiegen der Lamellen führen. Dabei wirkt sich die Lamellenstruktur vorteilhaft auf den Zerspanprozess aus, da die kurzen Späne geringere Zerspankräfte hervorrufen und Trockenbearbeitung möglich ist. Polieren und Erodieren der Werkzeuge ist genauso möglich wie an konventionellen Werkzeugen.

Im Hinblick auf eine Anpassung der Werkzeugstandzeit an die zu fertigende Stückzahl können die MELATO^®-Werkzeuge oberflächenveredelt werden. Diffusionsverfahren wie Plasmanitrieren oder Borieren, die mit geringen Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten verbunden sind, können eingesetzt werden, wenn z.B. ein geringerer Reibungskoeffizient der Gesamtkontur und eine höhere Oberflächenhärte gefordert wird. Darüber hinaus bietet sich das partielle Härten oder Auftragschweißen kritischer Kanten an. Beim Auftragschweißen können die Eigenschaften des Werkzeuges in weiten Bereichen über die Wahl des Zusatzwerkstoffes beeinflusst werden. Metallurgisch unproblematisch ist auch das galvanische Vernickeln der Werkzeugkontur. Das Vernickeln bietet den Vorteil eines homogen Werkstoffes an der Konturoberfläche und ermöglicht Korrekturen in geringen Dimensionen.